【導讀】鋰離子（Li-ion）電池之父John B.Goodenough因其開(kāi)拓性工作于2019年獲得諾貝爾化學(xué)獎，從而成為年齡最大的諾貝爾獎獲得者。如今，鋰離子電池已被用于人們生活的各個(gè)方面，它們讓電子設備變得更加輕巧耐用。例如，大多數手機都依靠鋰離子電池實(shí)現長(cháng)時(shí)間運行、便攜性和方便的充電。
因此，有效地對鋰離子電池充電以實(shí)現最大使用率，這一點(diǎn)非常重要。
如何給鋰離子電池充電
首先，讓我們分析一下鋰離子電池的充電過(guò)程。其充電過(guò)程可分為四個(gè)不同的階段：涓流電流充電、預充電、恒流充電和恒壓充電。圖1顯示了典型鋰離子電池的充電曲線(xiàn)。
圖1：鋰離子電池充電曲線(xiàn)
看起來(lái)似乎很簡(jiǎn)單，實(shí)際上在選擇電池充電解決方案時(shí)需要考慮很多參數。圖2顯示了選擇方案時(shí)的四個(gè)主要注意事項。
圖2：電池充電器設計–關(guān)鍵注意事項
下面將詳細介紹這些注意事項：
拓撲
電池充電器系統設計人員必須根據輸入電壓范圍、電池配置、充電電流和其他系統級優(yōu)先級來(lái)選擇拓撲（參見(jiàn)圖3）。
圖3：電池充電器拓撲
例如，大多數便攜式設備都通過(guò)USB端口充電。USB有兩種主要類(lèi)型：
?USB Type-A: 通常5V@1.5A最大，但可以支持快速充電和其他標準高達12V；
?USB Type-C: 5V@3A最大，但如果支持USB-PD，這可以增加到20V@5A
如果設備通過(guò)USB端口充電，則必須始終支持5V工作電壓。舉例來(lái)說(shuō)，對于串聯(lián)電池（最大VBATT≥8.4V），請使用升壓或降壓-升壓拓撲。如果設備不是通過(guò)USB端口充電，則建議采用降壓拓撲，因為輸入電壓始終超過(guò)電池電壓。
環(huán)路控制
電池管理IC的主要挑戰是具有多個(gè)控制環(huán)路。他們不僅要管理輸入電壓和電流，還必須管理系統功率、電池充電電流和電壓、電池溫度以及其他參數（參見(jiàn)圖4）。例如，系統經(jīng)常需要根據電池溫度來(lái)調節電池充電電流。
圖4：電池充電器IC中的各種控制環(huán)路
電源路徑管理
電源路徑管理控制環(huán)路根據輸入源的電流能力和系統負載的電流要求動(dòng)態(tài)調整電池充電電流。這樣可確保系統在使用過(guò)量電荷為電池充電時(shí)接收到所需的電流。
圖5：電池充電器系統架構
電池充電器根據其特性分為三種典型的架構。
第一種為電源直供，架構將電池直接連接到系統電源，它要求電池電壓達到最小系統電壓才能工作。
第二種稱(chēng)為旁路模式，它采用外部開(kāi)關(guān)來(lái)管理電池充電和系統路徑。
第三種架構為NVDC電源路徑管理。與前兩種架構相比，它具有以下優(yōu)點(diǎn)，因此更常用：
?最小系統電壓調節使用低壓電池可瞬間啟動(dòng)
?系統始終跟隨電池電壓，以減小系統各部件的電壓應力。
?當輸入功率有限時(shí)，電池可以作為系統的補充。
?系統可以從電池斷開(kāi)，以支持運輸模式
圖6顯示了NVDC充電器的充電曲線(xiàn)。
圖6：帶NVDC功能的鋰離子電池充電曲線(xiàn)
當電池電壓相對較低時(shí)，系統電壓被調節至最低工作點(diǎn)（圖6中的VSYS_REG_MIN）。當電池電壓接近VSYS_REG_MIN時(shí)，電池電壓和系統電壓會(huì )彼此緊密跟蹤。因此，無(wú)論電池狀態(tài)如何，系統電壓總是保持在一個(gè)窄范圍內。圖7顯示了實(shí)際應用中的曲線(xiàn)圖。
圖7：典型充電曲線(xiàn)（工作條件：VIN = 16V, VBATT 從0V開(kāi)始爬升， ICHG = 1.84A, ISYS = 1A)
反向工作
上面討論的電池充電器操作均使用輸入源為電池充電或為系統供電。實(shí)際上還可以反向操作，如USB On-the-Go（OTG）功能。具有USB OTG功能的電池充電器允許設備的內部電池通過(guò)設備輸入端口為設備供電。
MP2731電池充電IC
當應用需要NVDC電源路徑管理和OTG功能時(shí)，MPS提供的MP2731電池充電器IC可以完全滿(mǎn)足需求（見(jiàn)圖8）。
圖8：MP2731原理圖和主要特性
MP2731是一款全集成電池充電器，它支持上述的充電模式，并具有高效率和出色的散熱性能。
圖9：高效率和散熱性能
隨著(zhù)鋰離子電池越來(lái)越多地應用于現代電器和系統中，不斷評估使它們更高效、更具成本效益變得更加重要。在眾多的架構和充電器選擇中，MPS的MP2731等產(chǎn)品可以幫助您簡(jiǎn)化設計流程。
來(lái)源：MPS
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